Bên cạnh những thuận lợi nêu trên, so với băng tần 2100MHz, băng tần 900MHz thích hợp với môi trƣờng vô tuyến hơn khi truyền trong không gian tự do, suy hao băng tần 900MHz bé hơn 7dB so với băng tần 2100MHz, so với GSM thì UMTS hiệu quả tần số cao hơn, độ nhậy cao hơn và có vùng phủ rộng hơn nhờ công nghệ trải phổ.
Hình 2.1. dƣới đây so sánh vùng phủ của UMTS 900, UMTS 2100, GSM 900 và DCS 1800. Trong hình chỉ ra với vùng phủ tƣơng đƣơng UMTS 2100 chỉ cần 30% số trạm UMTS 900. Do đó giảm đƣợc chi phí xây dựng trạm, cải thiện hiệu năng mạng.
So với U2100, bán kính vùng phủ HSPA của U900 tăng 70% do đó vùng dịch vụ HSPA đƣợc mở rộng làm căn cứ quan trọng để triển khai UMTS 900 cho vùng nông thôn. Cùng vùng phủ tƣơng đƣơng GSM 900, UMTS đảm bảo tốc độ dữ liệu cao trên 1Mbit/s.
Hình 2.1 So sánh vùng phủ của các loại mạng di động [5]
Một ƣu điểm quan trọng khác của UMTS 900 là: khả năng phủ tốt hơn nhiều so với UMTS 2100. Ƣu điểm này xuất phát từ mô hình truyền sóng Indoor và suy
hao thâm nhập: băng tần 2100MHz có tần số cao hơn và suy hao thâm nhập ít hơn nhƣng khả năng tán xạ của băng tần 2100MHz lại rất kém do suy hao thâm nhập tổng cộng sẽ cao hơn băng 900MHz.
Số liệu thống kê đo kiểm chỉ ra rằng, mức suy hao thâm nhập của băng tần 900MHz thấp hơn 3dB so với băng tần 2100MHz. Đặc biệt môi trƣờng truyền sóng đƣờng phố, suy hao thâm nhập của băng tần 900MHz thấp hơn 12dB so với băng tần 2100MHz. Trong môi trƣờng đô thị, suy hao thâm nhập của băng tần 900MHz thấp hơn 20dB so với băng tần 2100MHz. Do vậy, trong kịch bản phủ vùng đô thị UMTS 900 cho vùng phủ indoor cho chất lƣợng tốt hơn nhiều so với UMTS 2100. Hình 2.2 dƣới đây so sánh suy hao thâm nhập giữa UMTS 900 và UMTS 2100.
Hình 2.2 So sánh suy hao thâm nhập giữa UMTS 900 và UMTS 2100
2.2.4 Lợi ích dung lượng UMTS 900
Với cùng băng thông, UMTS có hiệu quả sử dụng tần số tốt hơn, cho dung lƣợng cao hơn so với GSM. Ngoài ra ở góc độ dung lƣợng, UMTS 900 cũng vƣợt trội so với UMTS 2100. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng trong các môi trƣờng ít can nhiễu (noise & inteference limited) chẳng hạn nhƣ indoor hoặc vùng nông thôn,
UMTS 900 cũng cho tốc độ throughput và dung lƣợng cao hơn UMTS 2100. Hình 2.3 dƣới đây so sánh tốc độ throughput đỉnh giữa UMTS 900 và UMTS 2100 trong kịch bản phủ sóng indoor hay khu vực mật độ dân cƣ đông đúc.
Hình 2.3.So sánh thông lƣợng đỉnh giữa UMTS 900 và UMTS 2100 trong khu vực đông dân cƣ
Tỉ lệ ngƣời dùng Indoor càng lớn, lợi ích về dung lƣợng của UMTS 900 càng rõ rệt. Trong kịch bản vùng đồng bằng, UMTS 900 làm gia tăng mức thu ở vùng biên cell (edge cell) cải thiện SINR.
Hình 2.4 dƣới đây minh họa so sánh dung lƣợng giữa UMTS900 và UMTS2100 trong kịch bản vùng nông thôn.
Hình 2.4 So sánh thông lƣợng throughput cell giữa UMTS 900 và UMTS 2100 vùng nông thôn
Bảng 2.1 Tốc độ (Kbps) so sánh giữa UMTS 900 và UMTS 2100 vùng nông thôn
Đối chiếu bảng và hình trên ta thấy thông lƣợng tỉ lệ thuận với SINR: SINR càng cao thì thông lƣợng (throughput) càng cao. Trong môi trƣờng ít tiếng ồn (noise limited), SINR của băng 900MHz lớn hơn băng 2100MHz, do đó dung lƣợng cell của UMTS 900 lớn hơn của UMTS 2100. Tuy nhiên trong môi trƣờng ít nhiễu, độ lợi đem lại từ yếu tố vùng phủ giảm tỉ lệ thuận với sự gia tăng của nhiễu. Nghĩa là nhiễu của cell do cell lân cận phụ thuộc vào công suất phát của cell lân cận, khoảng cách với cell lân cận, tải của cell lân cận. Tất cả các yếu tố đó sẽ ảnh hƣởng đến dung lƣợng của cell UMTS 900 và UMTS 2100 theo cùng nguyên tắc. Do đó ở góc độ đơn lẻ, dung lƣợng của UMTS 900 và UMTS 2100 là tƣơng đƣơng nhau.
2.3 Các trƣờng hợp tái phân bổ tần số mạng
2.3.1 Trường hợp trạm GU900 cùng vị trí (co-site)
Trƣờng hợp trạm GU 900 cùng vị trí (co-located) có những ƣu điểm: chi phí xây dựng trạm mới giảm do tận dụng đƣợc hạ tầng trạm cũ, vùng phủ của UMTS chồng lấp với vùng phủ GSM bằng cách điều chỉnh mức công suất. Trƣờng hợp sử dụng antenna riêng, có thể tối ƣu vùng phủ sóng cả 2 hệ thống bằng cách điều chỉnh
góc Tilt hoặc góc hƣớng Azimuth. Tuy vậy, trạm GU900 cùng vị trí cũng có những nhƣợc điểm: So với trƣờng hợp trạm UMTS phân tách, trạm GU 900 co-located cần nhiều thiết bị UMTS. Do đó ở giai đoạn đầu, một phần thiết đầu tƣ thiết bị sẽ lãng phí khi nhu cầu dịch vụ UMTS chƣa rộng rãi. Hình 2.5 dƣới đây minh họa can nhiễu cho trƣờng hợp trạm GU cùng vị trí.
Hình 2.5 Can nhiễu trong trƣờng hợp trạm GU cùng vị trí [7]
Đối với thiết bị SRAN, module RF hỗ trợ đồng thời GSM và UMTS bằng cách kích hoạt license phần mềm do vậy sẽ giảm đáng kể chi phí phần cứng. Hầu hết các nhà mạng dùng thiết bị SRAN do đó kịch bản thƣờng chọn là 1:1 GU cùng vị trí (co-site).
2.3.2 Trường hợp trạm GU 900 phân tách
Trƣờng hợp trạm UMTS 900 độc lập có các ƣu điểm sau: so với GSM 900, UMTS 900 có vùng phủ rộng hơn. Nếu sử dụng các trạm UMTS 900 phân tách (khác vị trí), số lƣợng trạm UMTS 900 triển khai sẽ ít và do đó giảm đƣợc chi phí đầu tƣ. Tuy nhiên trạm UMTS phân tách cũng có những hạn chế: kiến trúc cell của mạng cũ bị phá vỡ, không tận dụng đƣợc hạ tầng sẵn có của các trạm cũ, chi phí xây các trạm UMTS 900 mới. Ngoài ra can nhiễu hai chiều giữa GSM và UMTS cũng tăng và rất khó kiểm soát. Hình 2.6 minh họa ảnh hƣởng can nhiễu giữa hai hệ thống GSM và UMTS do hiệu ứng Near-far.
Hình 2.6 Hiệu ứng gần - xa khi các trạm phân tách [7]
2.4 Áp dụng kịch bản và chiến lƣợc triển khai
2.4.1 Mở rộng vùng phủ sóng UMTS vùng rual
Ở kịch bản này, nhà mạng đã triển khai mạng 2G đƣợc một thời gian bao gồm băng GSM 900 hoặc GSM 900 kết hợp DCS 1800, trong khi đó thuê bao 2G tƣơng đối ổn định hoặc ngắn hạn tăng rất chậm. Nhà mạng cũng đã triển khai 3G UMTS 2100 ở khu vực đông dân cƣ và các thành phố trung tâm. Khi nhu cầu mở rộng mạng lƣới cao, nhà mạng mong muốn mở rộng vùng phủ UMTS ở những nơi mà truy cập mạng băng rộng hạn chế. Đó là những vùng nông thôn (rural) hoặc vùng ngoại thành (suburban) vùng phủ UMTS còn hạn chế và có lƣu lƣợng GSM thấp. Hệ quả là tái phân bổ tần số 900Mhz cần đƣợc triển khai, phân bổ một phần tần băng tần số cho UMTS để mở rộng dịch vụ 3G bằng cách triển khai mạng UMTS 900 mới. UMTS 900 đem lại vùng phủ rộng hơn UMTS 2100 và sẽ giúp nhà mạng giảm các chi phí triển khai 3G. Hòa mạng các trạm UMTS 900 trên nền tảng các trạm GSM 900 cũng tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên và đem lại vùng phủ tƣơng đƣơng với vùng phủ GSM. Ngoài ra giải pháp chung antenna GU cũng cho phép nhà mạng giảm thiểu đáng kể chi phí xây lắp antenna mới (do UMTS 900 sử dụng antenna của GSM 900). Trên tất cả, UMTS 900 và UMTS 2100 có thể đồng thời đem lại dịch vụ 3G cho ngƣời dùng.
Trong kịch bản này, phân bổ tần số đƣợc triển khai đã giảm số cấu hình của GSM cho dịch vụ thoại chuyển sang mạng UMTS và mở rộng vùng phủ UMTS 900
Hệ thống A (Can nhiễu BS) Hệ Thống B (Dịch vụ BS)
UE or MS (can nhiễu)
tiếp giáp với vùng đô thị trung tâm (Urban) đảm bảo vùng phủ UMTS 900 đƣợc liên tục. Mô hình này giống nhƣ mô hình nông thôn bao bọc thành thị (rural areas encircling the cities). Hình 2.7 dƣới đây minh họa cho kịch bản này.
2.4.2 Phủ sóng hostpot trong vùng đô thi urban
Kịch bản thứ 2 cho tái phân bổ tần số đƣợc triển khai trong khu vực trung tâm thành thị (urban) xử lý các điểm nóng về vùng phủ. Trong kịch bản này, xuất phát từ việc tài nguyên 3G băng tần 2100MHz đƣợc nhà nƣớc cấp phát hạn hẹp, trong khi nhu cầu cạnh tranh UMTS khốc liệt, nhà mạng thực hiện tái phân bổ lại băng tần GSM 900MHz để triển khai tái phân bổ tần số.
Quá trình triển khai tái phân bổ tần số trong kịch bản này sẽ bắt đầu từ vùng đô thị (urban) và lan rộng phủ vùng nông thôn (rural). Hình 2.7 dƣới đây mình họa mô hình của kịch bản này.
Hình 2.7 Phủ sóng điểm nóng hotspot bằng UMTS900 [4]
Trong kịch bản này, do lƣu lƣợng thoại GSM trong vùng đô thị là rất cao, khi một phần băng tần số 900MHz đƣợc dùng cho UMTS, vấn đề thâm hụt dung lƣợng nảy sinh cần có các kỹ thuật cải thiện nhƣ: kỹ thuật tái sử dụng tần số, kỹ thuật hạn
Hình 2.8 Mở rộng vùng dịch vụ 3G với UMTS900 [5]
2.4.3 Triển khai diện rộng trên mạng
Kịch bản này có thể đƣợc triển khai cho vùng suburban và rural rồi lan rộng ra vùng urban, đó là những vùng mà cấu hình các trạm GSM 900 thấp và hiệu quả sử dụng phổ tần số thấp trong khi thuê bao đã tƣơng đối bão hòa. Khi mở rộng vùng triển khai tái phân bổ tần số sang vùng urban sẽ giải quyết đƣợc bài toán dung lƣợng và vùng phủ 3G Indoor. Quá trình phân bổ tần số UMTS900 này đƣợc mô hình hóa gọi là “nông thôn bao bọc thành thị” (rural areas encircling the cities)
Kịch bản này còn đƣợc triển khai cho vùng urban trƣớc sau đó lan rộng ra vùng suburban và rural. Quá trình tái phân bổ tần số UMTS900 nhƣ vậy đƣợc mô hình là “thành thị bao bọc nông thôn” (cities encircling the rural areas). Hình 2.9 dƣới đây mình họa kịch bản triển khai diện rộng phân bổ tần số UMTS900 trên mạng.
Hình 2.9 Phân bổ tần số UMTS900 diện rộng trên mạng [5]
2.5 Tổng kết chƣơng
Nâng cao dung lƣợng mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA có nhiều giải pháp đƣợc đề ra. Các giải pháp nâng cao tài tuyên vô tuyến nhƣ nâng cấp cấu hình. Giải pháp phân bổ tần số UMTS 900 là giải pháp ƣu việt để nâng cao hiệu quả sự dụng tần số băng 900MHz, mở rộng vùng phủ, dung lƣợng cho mạng 3G mà chi phí đầu tƣ là tối ƣu nhất. Đây cũng là tiền đề thúc đẩy các nhà mạng áp dụng triển khai tái phân bổ tần số UMTS 900.
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÁI PHÂN BỔ TẦN SỐ UMTS 900 VÀ TRIỂN KHAI THỰC TẾ TRÊN MẠNG
VINAPHONE
Hiện nay với xu hƣớng phát triển của các thiết bị công nghệ ngày càng hiện đại, ra đời nhiều dòng điện thoại thông minh với giá cả ngày càng cạnh tranh. Hơn nữa thị phần về voice trên nền GSM có xu hƣớng giảm đi và lƣu lƣợng dự liệu ngày càng tăng yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ.Theo xu hƣớng các nhà mạng đẩy nhanh hơn việc phủ sóng 3G rộng khắp, từ thành thị tới nông thôn. Ban đầu công nghệ UMTS 2100 băng tần 1920 – 1980/2110 – 2170MHz đã đƣợc nhiều nhà mạng xây dựng và đƣa vào sử dụng. Tuy nhiên chỉ tập trung chủ yếu phát triển tại khu vực thành thị, hơn nữa do suy hao về mặt truyền sóng do sử dụng băng tần cao gây không ít khó khăn về mặt đầu tƣ cũng nhƣ phát triển vùng xa. Để giải quyết bài toán nâng cao dung lƣợng mạng 3G Vinaphone áp dụng công nghệ phân bổ tần số UMTS 900 để triển khai các dịch vụ 3G trên băng tần 900MHz của mình đã đƣợc cấp phép.
3.1 Tổng quan mạng 3G Vinaphone
Hiện tại Mạng 3G của Vinaphone, tính đến tháng 3/2015 hiện có 16212 NodeB và 40 RNC của các hãng Motorola, Huawei và Erricson đƣợc kết nối vào mạng lõi theo thiết kế phân vùng Trung tâm VNP1,2,3 sau đây:
- Gồm 16212 NodeB đảm bảo phủ sóng 100% khu vực trung tâm huyện thị trên toàn quốc.
- Gồm 40 RNC đƣợc lắp đặt tại 35 tỉnh thành trên toàn quốc. Các RNC này đƣợc kết nối tới mạng lõi đặt tại Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ.
3.1.1 Hiện trạng sử dụng tài nguyên tần số băng 900MHZ và những hạn chế UMTS 2100 trên mạng Vinaphone chế UMTS 2100 trên mạng Vinaphone
Bảng 3.1 Dƣới đây liệt kê tái phân bổ băng tần 900MHz mạng Vinaphone đƣợc nhà nƣớc cấp phép triển khai GSM. Đơn vị sử dụng Băng 900MHz Băng 1800MHz Độ rộng kênh (kHz) Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng Đƣờng DL Đƣờng UL Đƣờng DL Đƣờng UL VNP-MHz 935,1- 943,5 890,1- 898,5 1805- 1825 1710- 1730 200 TCN 68-219:2004 VNP – ARFCN 1 – 42 512 - 612
Bảng 3.1 Phân bổ tần số 900 MHz đƣợc cấp phép của mạng Vinaphone.
Dƣới đây là thống kê phân bổ sử dụng GSM 900 và DCS 1800 mạng Vinaphone tính đến tháng 01/2016 trong phụ lục 1
Type Band Tổng số BTS/Cell
Cell Band 900 48478 Band 1800 14956 BTS Band 900 16159 Band 1800 4983
Bảng 3.2 Phân bố BTS/Cell sử dụng băng tần số 900/1800 trên mạng Vinaphone
Phân bổ TRX sử dụng băng tần 900 trên mạng trong bảng phụ lục 2
Đánh giá hiện trạng sử dụng băng tần số 900MHz của Vinaphone có thể thấy: ngoại trừ các thành phố lớn trung tâm (Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh, Đà Nẵng), các thành phố/ huyện/ thị xã thuộc các tỉnh mật độ BTS/Cell/TRX sử dụng băng 900 tƣơng đối cao do ƣu điểm phủ sóng rộng của GSM 900, tuy nhiên hiệu quả sử dụng tần số GSM 900 các khu vực này tổng thể còn rất thấp. Hơn nữa lƣu lƣợng
trạm GSM 900 có xu hƣớng bão hòa và giảm nhẹ. Đây là các vùng nông thôn hoặc ngoại thành điển hình có tỉ lệ phủ sóng thiết bị UMTS 2100 hoặc SRAN đáng kể phù hợp với kịch bản triển khai phân bổ tần số diện rộng từ ngoại thành lan tỏa dần vào khu vực trung tâm.
3.1.2 Hạn chế của UMTS 2100, nguyên nhân tái phân bổ tần số UMTS 900 mạng Vinaphone mạng Vinaphone
Sự tăng trƣởng rất nhanh về lƣu lƣợng dữ liệu PS trên nền 3G (HSPA) kết hợp với số lƣợng bùng nổ ngƣời dùng sử dụng điện thoại smartphone thúc đẩy các nhà mạng trong đó Vinaphone không ngừng tìm cách mở rộng vùng phủ sóng 3G.
Tuy vậy mở rộng vùng phủ sóng 3G với nền tảng công nghệ UMTS 2100 đang gặp nhiều khó khăn do vùng phủ UMTS 2100 nhỏ hơn rất nhiều so với UMTS 900 (cùng vùng phủ UMTS 2100 thì UMTS 900 chỉ cần 30% số trạm là đảm bảo) do đó nếu triển khai phân bổ tần số UMTS 900 sẽ tiết kiệm rất nhiều chi phí đầu tƣ mở rộng mạng 3G.
Một thực tế khác mạng Vinaphone đang đối mặt sóng 3G trên nền tảng UMTS 2100 suy hao nhanh dẫn đến vùng phủ sóng trong nhà (indoor) không đảm bảo nhất là khu vực thành thị (suburban/urban) do mật độ xây dựng cao. Điều này làm cho nhà mạng ngày càng có nhiều khách hàng phàn nản về tốc độ truy nhập dữ liệu và phản ánh chất lƣợng dịch vụ sóng 3G. Đây cũng khó khăn gây nhiều áp lực cho mạng Vinaphone.
Thị trƣờng viễn thông trong nƣớc nói riêng và viễn thông thế giới đang có xu hƣớng ARPU giảm, trong khi lƣu lƣợng 2G mạng Vinaphone và cụ thể lƣu lƣợng trạm băng 900 đã có xu hƣớng ổn định và giảm nhẹ. Hơn nữa, nhìn tổng thể hiệu quả sử dụng tần số băng tần 900 vùng rural và suburban còn rất thấp.
Các yếu tố trên là tiền đề thúc đẩy cần nghiên cứu tìm giải pháp thực hiện tái phân bổ tần số UMTS 900 trên mạng Vinaphone.
3.2 Giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 MHz
3.2.1 Quan hệ tần số và (U) ARFCN
Hiện nay các nhà khai thác mạng GSM sử dụng các băng tần sau: GSM 900Mhz, GSM 850MHz, GSM 1800MHz và GSM 1900MHz. Trên mỗi băng tần này, ARFCN đƣợc định nghĩa là số nguyên của 0.2Mhz và dải phân tách giữa hai tần số ARFCN là 200KHz. Bảng dƣới đây mô tả ánh xạ giữa tần số ARFCN và các tần số của GSM.
Băng tần Tần số sóng mang (UL) Kênh tần số Tần số sóng mang (DL) P-GSM 900 Fl(n) = 890 + 0.2 x n 1 n 124 Fu(n) = Fl(n) + 45 E-GSM 900 Fl(n) = 890 + 0.2 x n 0 n 124 Fu(n) = Fl(n) + 45 Fl(n) = 890 + 0.2 x (n-1024) 975 n 1023 R-GSM 900 Fl(n) = 890 + 0.2 x n 0 n 124 Fu(n) = Fl(n) + 45 Fl(n) = 890 + 0.2 x (n-1024) 955 n 1023 DCS 1800 Fl(n) = 1710.2 + 0.2 x (n-512) 512 n 885 Fu(n) = Fl(n) + 95 PCS 1900 FI(n) = 1850.2 + 2 x (n-512) 512 n 810 Fu(n) = FI(n) + 80 GSM 850 Fl(n) = 824.2 + 0.2 x (n-128) 128 n 251 Fu(n) = Fl(n) + 45
Tƣơng tự nhƣ vậy, trong UMTS 900 tần số ARFCN cũng đƣợc định nghĩa là